DE2838225A1

DE2838225A1 - Laserverstaerkerkette

Info

Publication number: DE2838225A1
Application number: DE19782838225
Authority: DE
Inventors: Jean-Louis Boutineau
Original assignee: Compagnie Generale dElectricite SA
Current assignee: Alcatel Lucent SAS
Priority date: 1977-09-08
Filing date: 1978-09-01
Publication date: 1979-03-22
Also published as: GB2004411B; US4186353A; BE869734A; FR2402956A1; GB2004411A; CA1102438A; FR2402956B1; IT7869065A0

Description

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LASERVBRSTÄRKERKETTE

Die Erfindung betrifft eine Laserverstärkerkette mit einem auf eine» ersten Achse angeordneten Laseroszillator mit einem Modulator, der aus einer opto-elektrischen Zelle und mindestens einem Polarisator besteht, so daß der aus dem Oszillator kommende Laserstrahl in einer ersten Ebene linear polarisiert wird, einem auf der ersten Achse angeordneten optischen Organ, das den linear polarisierten Laserstrahl der ersten Ebene durchläßt, einem ersten dem optischen Organ nachgeordneten Laserverstärker, einem ersten optischen Wandler, der die lineare Polarisation des von ihm empfagnenen Laserstrahls in eine zirkularpolarisation umwandelt, einem Reflektor, der so angeordnet ist, daß er den Laserstrahl nach Durchlaufen des ersten Verstärkers und des ersten Wandlers auf sich selbst zurückwirft, so daß der zurückgeworfene Laserstrahl nach Durchlaufen des ersten optischen Wandlers und des ersten Verstärkers in umgekehrter Richtung in einer zweiten, zur ersten senkrecht liegenden Ebene polarisiert ist, wobei mindestens ein Teil der Energie des in der zweiten Ebene polarisierten Laserstrahls durch das optische Organ entlang einer zweiten Achse reflektiert wird, die eon der ersten verschieden ist, und einem zweiten auf der zweiten Achse angeordneten Laserverstärker, durch den der reflektierte Teil der Energie des Laserstrahls läuft. Beispielsweise eignet sich die Erfindung für die Erzeugung von Lichtimpulsen einer Wellenlänge von 10,6 Ai unter Verwendung eines C0₂-Lasers.

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Die Aufgabe des ersten optischen Wandlers besteht darin, den Modulator gegen Echoimpulse zu schützen, die sich aus der Rückdiffusion oder Reflexion eines Teils des vom Zielobjekt empfangenen Lichts ergeben. Diese Echoimpulse sind nämlich kreisförmig polarisiert wie die von dem ersten optischen Wandler zum Ziel hin übertragenen Impulse. Sie durchlaufen in umgekehrter Reihenfolge zunächst die Verstärker, wo sie erneut verstärkt werden, dann den Wandler, der ihre Zirkularpolarisation in eine Linearpolarisation umformt, wobei dann die Polarisationsrichtung senkrecht zu der verläuft, die die Impulse auf dem Hinweg am Ausgang des Polarisators hatten. Der Polarisator hält daher diese Echoimpulse zurück, wodurch der Modulator geschützt ifct.

Wenn die Impulsenergie durch Vergrößerung des Verstärkungsfaktors der Verstärker erhöht werden soll und wenn der Verstärkungsfaktor einen kritischen Wert überschreitet,treten spontane Laserimpulse auf, die zwischen den Störreflexionsflächen der Verstärkungskette entstehen. In der Praxis ist es schwierig, derartige Störreflexionsflächen zu vermeiden , und die sich hieraus ergebenden spontanen Laserimpulse können sehr störend wirken.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Laserverstärkerkette anzugeben, die gegen Echoimpulse geschützt ist, dabei jedoch wenig Raum beansprucht und einen höheren Verstärkungsfaktor zuläßt, ohne daß dabei die Gefahr besteht, daß spontane Schwingungen hoher Leistung entstehen.

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Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Bezüglich von besonders vorteilhaften Ausführungsformen der Erfindung wird auf die Unteransprüche verwiesen.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von zwei Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt schematisch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserverstärkerkette.

Fig. 2 ist eine graphische Darstellung der Polarisationsänderungen eines durch die in Fig. 1 dargestellte Kette laufenden Lichtimpulses.

Fig. 3 ist eine graphische Darstellung der Polarisationsänderungen eines entstehenden und durch die Kette gemäß Fig. 1 laufenden Störlaserstrahlimpulses.

Fig. 4 zeigt schematisch eine andere Ausführungsform der erfindungsgemäßen LaserverstäKkerkette.

Ein CO^-Gaslaser 1 (Fig.l) gibt einen Impuls der Wellenlänge 10,6 ,u und einer ungefähren Dauer von 30 Nanosekunden ab. Dieser Impuls läuft durch einen aus einer Pockel-Zelle 2 zwischen zwei gekreuzten Polarisatoren 3 und 4 bestehenden Modulator. Der aus dem Modulator kommende Impuls ist linear, beispielsweise vertikal, polarisiert und weist eine Dauer von 1,5 Nanosekunden auf. Dieser Impuls durchquert eine Echoschutzvorrichtung 5, die im wesentlichen aus einem afokalen optischen System aus zwei konkaven Spiegeln 5a und 5b besteht, die so angeordnet sind, daß sie nacheinander den Laserimpuls reflektieren. Die

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beiden Spiegel besitzen einen gemeinsamen reellen Brennpunkt 5c. Der Impuls gelangt anschließend auf eine Germaniumplatte 7, die unter dem Brewster-Einfallswinkel zur Achse 6 geneigt ist, bevor er ein als optischer Wandler wirkendes Fresnül!sches Prisma 8 durchquert, das die lineare Polarisation in eine zirkuläre umwandelt. Danach läuft der Impuls durch einen Verstärker 9 und nach Reflexion an einem Spiegel ID durch den Verstärker 9 und das Prisma 8 zurück, durch das die zirkuläre Polarisation in eine lineare umgewandelt wird, deren Richtung senkrecht zur Polarisationsrichtung des aus dem Polarisator 4 austretenden Laserstrahls verläuft, d.h. im hier gewählten Beispiel horizontal.

das Der größte Teil (78%) der Energie des/Prisma 8 erneut

durchquerenden Laserimpulses wird von der Platte 7 reflektiert, läuft durch einsanderes Fresnel¹sches Prisma 11, das die lineare Polarisation in eine zirkuläre umwandelt, wird erneut in einem Verstärker 12 verstärkt und durch eine Linse 14 auf ein Hielobj ekt 13 gebündeIt.

Der restliche Anteil (22%) der Energie des das Prisma erneut durchquerenden Laserimpulses geht durch die Platte 7 hindurch und wird von der Echoschutzvorrichtung 5 absorbiert. Diese Vorrichtjung besitzt nämlich eine vorbestimmte Leistungsschwelle, die so eingestellt ist, daß die vom Oszillator kommenden und zu den Verstärkern gehenden relativ leistungsschwachen Laserimpulse durchgelassen werden, während die Echoimpulse, deren Energie über dem Schwellwert liegt, absorbiert werden.

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Ein Teil der auf das Ziel 13 auftreffenden Impulsenergie kann möglicherweise zurückgestreut werden. In diesem Fall durchläuft die zurückgestreute Energie in umgekehrter Richtung die Linse 14, den Verstärker 12, in dem sie verstärkt wird, und das Prisma 11, in dem die zirkuläre Polarisation in eine vertikale lineare Polarisation umgeformt wird. Die zurückgestreute Energie wird beim Durchqueren der Platte 7 aus der Achse 6 herausgelenkt, so daß der Modulator durch diese Energie nicht mehr gefährdet ist.

Fig. 2 zeigt die aufeinanderfolgenden Polarisationszustände des Laserimpulses bei seinem Durchgang durch die Vorrichtung, In der oberen Zeile dieser Darstellung werden die einzelnen Komponenten in der Reihenfolge, in der sie vom Laserimpuls durchlaufen werden, mit ihren Bezugszeichen angegeben. In der zweiten Zeile wird die Polarisation des Laserimpulslichts zwischen den aufeinanderfolgenden Komponenten dargestellt s Die vertikalen Pfeile stehen für eine lineare Polarisation in vertikaler Richtung, die Kreise mit einem Punkt in der Mitte für eine lineare Polarisation in horizontaler Richtung, die Kreise mit einem Kreuz für eine zirkuläre Polarisation, wobei der gekrümmte Pfeil die Drehrichtung des elektrischen Felds des Lichts angibt.

Wie aus dieser Zeichnung hervorgeht, wandelt das Fresnel¹sehe Prisma eine zirkuläre Polarisation in eine lineare Polarisation um und umgekehrt. Das Durchlaufen zweier hintereinander geschalteter Fresnel¹scher Prismen führt zur Umwandlung einer linearen vertikalen Polarisation in eine lineare hori-

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zontale Polarisation bzw. umgekehrt, bzw. zu einer Umkehrung der Drehrichtung der zirkulären Polarisierung. Eine geeignet angeordnete 1/4—Platte würde dieselben Umformungen bewirken. Die Figur zeigt außerdem, daß die Art der linearen Polarisation oder die Drehrichtung einer zirkulären Polarisation durch Reflexion auf einem Spiegel oder auf einem Zielobjekt nicht verändert werden.

Der Teil des Impulses, der nach zweimaligem Durchlaufen der Platte 7 durch die Vorrichtung 5 absorbiert wird, ist in der Fig. 2 nicht gezeigt.

Fig. 3 zeigt die Entwicklung eines im Verstärker 12 entstehenden und in umgekehrter Richtung zur Platte 7 sich ausbreitenden Störlichtimpulses.

Dieser Störimpuls ist am Ausgang des Verstärkers 12 vertikal polarisiert. Diese vertikale Polarisierung wird durch das Prisma 11 in eine zirkuläre Polarisierung überführt. Die Platte 7 schickt die horizontal polarisierte Komponente des von ihr empfangenen Lichtstrahls zum Prisma 8 zurück. Wenn die Lichtwelle von der Vorderfläche des Prismas reflektiert wird, breitet sie sich nach Reflexion auf 7 unter den bereits in Fig.2 angegebenen Bedingungen zum Zielobjekt hin aus. Sie wird somit am Ziel reflektiert und aus der Kette durch die Platte 7 herausgelenkt. Dadurch kann dieser Störimpuls keine Selbstschwingung des Laseroszillators hervorrufen.

Breitet sich die Lichtwelle durch das Prisma 8 ohne Reflexion aus, so wird sie nach Reflexion am Spiegel 10 zur Platte 7 zurückgeworfen. Nach einem neuerlichen Durchgang durch

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das Prisma 8 ist der zurückgeworfene Impuls vertikal polarisiert und durchquert somit reflexionsfrei die Platte 7, bevor er durch die Vorrichtung 5 absorbiert wird.

Ganz allgemein verhindert die Platte 7 zwischen zwei Fresnel¹sehen Prismen in der Verstärkungskette, daß die so getrennten Verstärker bei der Erzeugung von Störschwingungen zusammenwirken. So kann der Verstärkungsfaktor dieser Kette unter Vermeidung jeglichen Selbstschwingungsrisikos dadurch vergrößert werden, daß man die Anzahl der Verstärker erhöht.

Fig. 4 zeigt eine andere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserverstärkerkette mit dem Vorteil, den Teil der Laserimpulsenergie, die nach Reflexion am Spiegel 10 ein zweites Mal durch die Platte 7 läuft, zu nutzen. Die in Fig. 4 dargestellte Kette enthält außer den bereits in Fig. 1 angegebenen Komponenten eine zwischen dem Organ 5 und der Platte 7 angeordnete Germaniumscheibe 15. Diese Scheibe ist mit dem Brewster— Einfallswinkel zur Richtung der sich parallel zur Achse 6 ausbreitenden Lichtstrahlen geneigt. Zwischen den Platten 15 und liegt ein Verstärker 16. Auf der Achse, entlang der die vom Spiegel 10 kommenden und vom Spiegel 15 reflektierte Impulse zurückgeworfen werden, sind örtlich nacheinander ein Fresnel¹-sches Prisma 17 und ein Verstärker 18 angeordnet. Die aus den Verstärkern 13 und 18 austretenden Impulse können durch hier nicht dargestellte optische Mittel auf ein gemeinsames Ziel gebündelt werden» Selbstverständlich kann die Verstärkerkette mit optischen Verzögerungsmitteln versehen werden, damit die aus den Verstärkern 12 und 18 kommenden, auf ein gemeinsames Ziel

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gelenkten Impulse vollkommen phasengleich auf dem Ziel eintreffen.

Die Funktionsweise der in Fig. 4 gezeigten Verstärkerkette ist analog zu der in Fig. 1 dargestellten Kette; jedoch ist darauf hinzuweisen, daß die von der Platte 7 zum Spiegel gelangende» vom Oszillator stammende Energie im Verstärker eine Vorverstärkung erfährt. Außerdem weist diese Vorrichtung zwei parallele Zweige (11-12 und 17-18) zum Anstrahlen eines einzigen Zielobjekts auf. Lediglich 22% der aus dem Verstärker 16 kommenden Energie gehen nach Reflexion auf dem Spiegel 10 verloren.

Selbstverständlich können in die Verstärkerkette zwischen den Vorrichtungen 5 und 15 weitere den Komponenten 16,15,17 unf 18 entsprechende Bauteile zur Rückgewinnung der die Platte 15 in Rückwärtsrichtung durchlaufenden Energie eingefügt werden.

Die erfindungsgemäße Verstärkerkette kann bei der Plasmaforschung zum Einsatz kommen.

Im Rahmen der Erfindung kann der Laseroszillator selbstverständlich mit einer anderen Wellenlänge als 10,6 ,um arbeiten. In diesem Fall werden dann die optischen Platten wie z.B. 7 und 15 aus einem Material hergestellt, das für das vom Laseroszillator abgestrahlte Licht durchlässig ist.

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Claims

* ,η α« η-- i Sep. 1978 Fo 10 965 D COMPAGNIE GENERALE D'ELECTRICITE S.A. 54, rue La Boetie, 75382 PARIS CEDEX 08 Frankreich LASERVERSTARKERKETTE PATENTANSPRÜCHE

1.- Laserverstärkerkette mit einem auf einer ersten Achse angeordneten Laseroszillator mit einem Modulator, der aus einer opto-eüektrischen Zelle und mindestens einem Polarisator besteht, so daß der aus dem Oszillator kommende Laserstrahl in einer ersten Ebene linear polarisiert wird, einem auf der ersten Achse angeordneten optischen Organ, das den linear polarisierten Laserstrahl der ersten Ebene durchläßt, einem ersten dem optischen Organ nachgeordneten Laserverstärker, einem ersten optischen Wandler, der die lineare Polarisation Äes von ihm empfangenen Laserstrahls in eine Zirkularpolarisation umwandelt, einem Reflektor, der so angeordnet ist, daß er den Laserstrahl nach Durchlaufen des ersten Verstärkers und des ersten Wandlers auf sich selbst zurückwirft, so daß der zurückgeworfene Laserstrahl nach Durchlaufen des ersten optischen Wandlers und des ersten Verstärkers in umgekehrter Richtung in einer zweiten, zur ersten senkrecht liegenden Ebene polarisiert ist, wobei mindestens ein Teil der Energie des in der zweiten Ebene polarisierten Laserstrahls durch das optische Organ entlang einer

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zweiten Achse reflektiert wird, die von der ersten verschieden ist, und einem zweien auf der zweiten Achse angeordneten Laserverstärker, durch den der reflektierte Teil der Energie des Laserstrahls läuft, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Organ aus einer ersten optischen Platte (7) aus einem für den Laserstrahl durchlässigen Material besteht, die unter einem Brewster-Einfallswinkel in die erste Ebene zum aus dem Oszillator kommenden Laserstrahl geneigt ist und entlang der zweiten Achse den größten Teil der Energie des in der zweiten Ebene polarisierten Laserstrahls reflektiert und den nicht reflektierten Teil der Energie dieses Laserstrahls durchläßt, und daß ein zweiter, dem ersten Wandler (8) gleichender optischer Wandler (11) auf der zweiten Achse angeordnet ist und eine Echoschutzvorrichtung (5) zwischen dem Oszillator (1) und der ersten optischen Platte (7) liegt, die den nicht reflektierten Teil der Energie des in der zweiten Ebene polarisierten Laserstrahls absorbiert und den vom Oszillator kommenden Laserstrahl durchläßt.

2 - Laserverstärkerkette nach Anspruch 1, dadurch gekennze ichnet, daß darüber hinaus eine zweite optische Platte (15) aus einem für den Laserstrahl durchlässigen Material parallel zur ersten Platte auf der ersten Achse (6) zwischen der Echoschutzvorrichtung (5) und der ersten optischen Platte (7) angeordnet ist, daß ein dritter Laserverstärker (16) auf der ersten Achse (6) zwischen der zweiten optischen Platte (15) und der ersten Platte (7) liegt, wobei der größte Teil

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des vom Reflektor (10) kommenden und aus dem dritten Verstärker (16) austretenden Lichtstrahls auf der zweiten optischen Platte (15) in Richtung einer dritten, zur zweiten Achse parallelen Achse reflektiert wird, während der restliche Teil dieses Lichtstrahls die zweite optische Platte durchläuft, daß ein dritter optischer Wandler (17), der den anderen Wandlern gleicht, auf der dritten Achse liegt, und daß ein vierter Laserverstärker "(18) am Ausgang des dritten optischen Wandlers angeordnet ist.

3 - Laserverstärkerkette nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Wandler (8,11,17) Fresnefsche Prismen sind.

4 - Laserverstärkerkette nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Wandler (8,11,17) X/4-Platten sind.

5 - Laserverstärkerkette nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Echoschutzvorrichtung (5) aus einer afokalen optischen Vorrichtung mit reellem Brennpunkt (5c) besteht.

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